邊界層的概念邊界層的概念對流換熱過程的熱量傳遞時依靠兩種作用完成的：一是依靠壁面與流體的直接接觸的導(dǎo)熱作用；二是流體內(nèi)部的對流作用。對流換熱的規(guī)律與流體的流動是緊密聯(lián)系在一起的，因此分析對流換熱，應(yīng)首先了解與固體壁面相接觸的流體的流動規(guī)律。本節(jié)主要以流體穩(wěn)定地沿平板作無界的強(qiáng)迫對流換熱為例，闡明有關(guān)邊界層的情況，同時對流體在管內(nèi)的流動，作簡要介紹。速度邊界層01溫度邊界層02目

錄Content速度邊界層01邊界層的概念當(dāng)流體流過固體壁面時，由于壁面的粗糙度和流體的粘滯作用，使得緊貼在固體壁面上的流體被完全滯止，速度等于零。流體之間的粘滯作用所產(chǎn)生的粘性力使得壁面附近的薄層流體的法向流速有較明顯的變化。通常把壁面法線方向上，緊鄰壁面流速發(fā)生劇烈變化的薄流層稱為速度邊界層。邊界層的概念

紊流邊界層沿壁面法線方向分為層流底層、緩沖區(qū)和紊流核心區(qū)。即使在紊流邊界層內(nèi)，由于靜止表面與流體之間的粘滯作用，在緊貼壁面的極薄一層流體中，粘性力仍占主導(dǎo)地位，流體仍維持層流，這個極薄的流體層稱為紊流邊界層中的層流底層。沿流動方向，速度邊界層分為層流邊界層、過渡流邊界層和紊流邊界層三個階段。邊界層的概念溫度邊界層02邊界層的概念當(dāng)流體流經(jīng)與其溫度不同的壁面時，流體與壁面之間就會發(fā)生熱量傳遞現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，流體的溫度只有在靠近壁面法向的一個薄層中才有顯著的變化，這一薄層稱為溫度邊界層，又稱熱邊界層。邊界層的概念

2.流動邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過程和邊界層內(nèi)的溫度分布1.流動邊界層與熱邊界層的狀況決定了熱量傳遞過程和邊界層內(nèi)的溫度分布影響對流換熱的因素影響對流換熱的因素

運(yùn)動著的流體與固體壁面接觸時，由于流體與固體壁面間有溫度差而發(fā)生的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。工程中對流換熱比單純的熱對流更具實(shí)用意義。對流換熱在火電廠的生產(chǎn)過程中應(yīng)用十分廣泛。在鍋爐的過熱器、省煤器以及汽輪機(jī)的主要輔助設(shè)備凝汽器、加熱器中，管內(nèi)流動的工質(zhì)與管內(nèi)壁之間、管外流動的工質(zhì)與管外壁之間的熱量傳遞過程都是對流換熱過程。0203目

錄Content050104流動產(chǎn)生的原因流體流動的狀態(tài)流體有無相變流體物性的影響流體與固體壁面的相對位置01流動產(chǎn)生的原因影響對流換熱的因素

結(jié)論：強(qiáng)迫流動的對流換熱系數(shù)要高于自由流動的換熱系數(shù)。強(qiáng)迫流動自由流動流動產(chǎn)生的原因強(qiáng)制對流換熱是流體在泵與風(fēng)機(jī)的作用下流過換熱面時的對流換熱，如煙氣在風(fēng)機(jī)的作用下流過鍋爐中各受熱面時與受熱面之間的對流換熱就屬強(qiáng)制對流換熱。自然對流換熱是流場中溫度差引起密度差產(chǎn)生了浮升力，流體在浮升力作用下流過換熱面時的對流換熱，如鍋爐爐墻外表面向周圍空氣的散熱就屬自然對流換熱。影響對流換熱的因素1、冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風(fēng)比無風(fēng)時感到更冷些？人體表面的散熱在有風(fēng)時為強(qiáng)制對流換熱，在無風(fēng)時屬自然對流換熱。而空氣的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)比自然對流換熱系數(shù)大。因而有風(fēng)時從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷。02流體流動的狀態(tài)影響對流換熱的因素

結(jié)論：1.紊流時的換熱系數(shù)要高于層流的換熱系數(shù)。紊流層流流體的流動狀態(tài)層流流動中，流體各部分的流動都平行于流道的壁面，各流線之間互不干擾，動量交換、熱量交換相對較弱紊流流動中，流體的各部分運(yùn)動處于不規(guī)則的混亂狀態(tài)，各流線之間會互相交錯和干擾，動量交換、熱量交換相對較強(qiáng)

2.紊流時換熱熱阻主要存在于層流底層，層流底層愈薄，對流換熱強(qiáng)度就愈強(qiáng)。03流體有無相變影響對流換熱的因素相變對流換熱無相變對流換熱流動有無相變相變是指氣體變?yōu)橐后w或液體變?yōu)闅怏w的相態(tài)變換。。沒有相態(tài)變化的對流換熱稱為單相流體的對流換熱。有相變的對流換熱是指液體的沸騰換熱和蒸汽的凝結(jié)換熱。影響對流換熱的因素人體表面的散熱在有風(fēng)時為強(qiáng)制對流換熱，在無風(fēng)時屬自然對流換熱。而空氣的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)比自然對流換熱系數(shù)大。因而有風(fēng)時從人體帶走的熱量更多，所以感到更冷。有相變的換熱與無相變的換熱相比有很大的區(qū)別。對于同一種流體，有相變的對流換熱系數(shù)要大得多。例如，液體受熱汽化，將吸收大量的汽化潛熱，汽化潛熱值要比比熱容大得多，同時還產(chǎn)生許多汽泡，汽泡的產(chǎn)生和運(yùn)動增加了液體內(nèi)部的擾動，也使對流換熱增強(qiáng)。對于不同種流體，有相變的換熱不一定比無相變的換熱強(qiáng)，04流體物性的影響影響對流換熱的因素在相同的條件下，流體的種類不同，其換熱強(qiáng)度各不相同。直接影響換熱強(qiáng)度的主要物性參數(shù)有：熱導(dǎo)率λ[W/(m·℃)]、定壓質(zhì)量比熱容cp[J/(kg·℃)]、密度ρ[kg/m3]、動力粘度μ[kg/(m·s)]、運(yùn)動粘度ν[m2/s]等等。不同的流體，上述的物性參數(shù)各不相同；對于同一種流體，這些參數(shù)隨溫度而變化，其中某些參數(shù)還和壓力有關(guān)。影響對流換熱的因素若流體的比熱容大，流體的溫度每升高或降低1℃與壁面所交換的熱量就越多，換熱也會加強(qiáng)。總的來說，μ值增大，換熱強(qiáng)度減?。沪?、和cp值增大，換熱強(qiáng)度增大。流體的物性影響換熱強(qiáng)度，是因?yàn)榱黧w的物性影響流體的流態(tài)和改變層流底層的熱阻。例如，若流體的粘性系數(shù)小，則在一定的流速下其層流底層就較薄，使熱阻減小而換熱增強(qiáng)；若流體的熱導(dǎo)率大，則層流底層的導(dǎo)熱熱阻就小。影響對流換熱的因素液體的對流換熱強(qiáng)于氣體的對流換熱。氫氣的對流換熱強(qiáng)于空氣的對流換熱。通常存在水的對流換熱強(qiáng)于油的對流換熱。影響對流換熱的因素1、電影《泰坦尼克號》里，男主人公杰克在海水里被凍死而女主人公羅絲卻因躺在筏上而幸存下來。試從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)解釋這一現(xiàn)象。課堂思考杰克在海水里，身體與海水間由于自然對流交換熱量。羅絲在筏上身體與空氣之間產(chǎn)生自然對流。在其他條件相同時，水的自然對流強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于空氣，因此杰克身體由于自然對流散失能量的速度比羅絲快得多。因此，杰克被凍死而羅絲幸存下來。影響對流換熱的因素2.在發(fā)電廠中，為什么發(fā)電機(jī)的冷卻方式用氫氣冷卻比空氣冷卻效果好？課堂思考因?yàn)榱黧w的物性參數(shù)影響流體的對流換熱，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱是所有氣體中最大的，對流換熱效果最強(qiáng)，氫氣和空氣比較，氫氣的對流換熱強(qiáng)于空氣的對流換熱，用氫氣冷卻帶走的熱量多，冷卻效果好。05流體與固體壁面的相對位置影響對流換熱的因素對流換熱過程中，流體沿著壁面流動，壁面的幾何形狀、大小、粗糙度及流體與固體壁面間的相對位置對流體的流動也有很大的影響，從而也影響對流換熱系數(shù)的大小。影響對流換熱的因素流體在管內(nèi)流動和流體橫向繞過圓管時的流動，由于流體接觸壁面的幾何形狀不同，流動的狀態(tài)及邊界層的厚薄都不一樣流體與固體表面間的相對位置也影響對流換熱過程，如在平板表面加熱空氣作自然對流時，換熱面朝上或換熱面朝下空氣的流動情況大不一樣。相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則01準(zhǔn)則方程式02目

錄Content01相似準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則

相似準(zhǔn)則：在相似理論指導(dǎo)下由微分方程導(dǎo)出的由幾個物理量所組成的沒有量綱的數(shù)。已定準(zhǔn)則待定準(zhǔn)則相似準(zhǔn)則

定型準(zhǔn)則，其所包含的量都是已知量。待定準(zhǔn)則，他包含了待定的對流換熱系數(shù)αc。待定準(zhǔn)則是已定準(zhǔn)則的函數(shù)。相似準(zhǔn)則努謝爾特準(zhǔn)則：

努塞爾特準(zhǔn)則數(shù)是一個表征對流換熱強(qiáng)弱的準(zhǔn)則數(shù)。在λ、L相同時，Nu數(shù)越大則對流換熱越強(qiáng)。相似準(zhǔn)則雷諾準(zhǔn)則：雷諾準(zhǔn)則數(shù)是一個表征流體強(qiáng)制對流時流態(tài)的特征數(shù)，他反映了流體強(qiáng)制流動時慣性力和粘性力的相對大小。Re數(shù)大，表明慣性力相對較大，粘性力對流動的約束不顯著，流動趨于紊亂；反之，Re數(shù)小，由于粘性力的約束，流動比較平穩(wěn)。相似準(zhǔn)則普朗特準(zhǔn)則：普朗特準(zhǔn)則是一個表征流體熱物理特性的特征數(shù)。他反映了流體動量擴(kuò)散能力與熱擴(kuò)散能力的相對大小。Pr數(shù)大，意味著流體的動量擴(kuò)散能力大于熱擴(kuò)散能力，速度邊界層比溫度邊界層厚，。相似準(zhǔn)則格拉曉夫準(zhǔn)則：格拉曉夫準(zhǔn)則是一個表征流體自然對流時流態(tài)的特征數(shù)。格拉曉夫準(zhǔn)則就反映了自然對流換熱現(xiàn)象中流體浮升力與粘性力的相對大小。Gr數(shù)大，表明浮升力較大，流體自然對流換熱越強(qiáng)烈。相似準(zhǔn)則定性溫度：用以確定準(zhǔn)則數(shù)中物性參數(shù)的溫度稱為定性溫度。特征尺度：包含在準(zhǔn)則中影響對流換熱的幾何尺寸，我們稱之為特征尺度。特征流速：Re中的流速稱之為特征流速。。準(zhǔn)則方程式02相似準(zhǔn)則當(dāng)實(shí)際氣體的溫度較高、壓力較低時，氣體的比體積比較大，這時就可以忽略分子本身體積及分子之間的相互作用力，作為